Özet
Bu çalışmada, hidrofobik özelliğini geliştirmek amacıyla kırmızı gülün taç yaprakları, su bazlı boyanın içeriğine eklenmiştir. Kırmızı gülün taç yaprakları kurutularak öğütücüde toz haline getirilmiştir.
Su bazlı iç cephe boyasının ağırlıkça %0-6’ sı olacak şekilde, bor kimyasalı, talk ve kırmızı gülün taç yaprakları farklı oranlarda su bazlı boyaya ilave edilmiştir. Çalışmadaki deneyler için üç seviye ve üç parametre seçilerek Taguchi deneysel tasarım metodu kullanılmıştır.
Katkı maddeleri ile homojen şekilde karıştırılmış, dokuz farklı içerikteki boya numuneleri özel hazırlanmış plakalara uygulanmıştır. Plakalardaki boyalar kuruduktan sonra numuneler testlere tabi tutulmuştur.
Boyaya eklenen katkılar sayesinde su bazlı iç cephe boyasının hidrofobik özelliğinin yanı sıra farklı özelliklerinin de geliştirilmesine yardımcı olduğu görülmüştür.
Giriş
İlerleyen teknoloji ile birlikte beklentilerin değişmesi üzerine, malzemelerde kaplama görevi gören boyaların da birtakım özelliklerinin geliştirilmesi beklenmektedir. Yapılan çalışmalarda boyaya doğal ve sentetik katkı malzemeleri ilave edilmiştir.
Araştırmacılar, bu ilavelerin boya performansı üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Çevresel faktörler, hammadde maliyeti ve kalite de göz önünde bulundurulmuştur.
Kimyanın önemli bir özelliği olarak, bir yüzeyin ıslanabilirliği temel ve endüstriyel uygulamalarda büyük bir önem taşımaktadır [1].
Yüzey ıslanabilirliğinin kontrol edilmesi havacılık ve otomotiv sanayi için kendi kendini temizleyen camlar, inşaat sektörü için aşınmaz yapılar,su geçirmez tekstil, optik aletler ve cep telefonları için kirlenmeyen yüzeyler, membran uygulamaları, hücre ve antibakteriyel adezyon, tencere kaplamaları gibi farklı uygulamalar için oldukça değerlidir.
Yüzey ıslanabilirliğini belirleyebilmek için denge temas açısı ölçümleri yapılmalıdır [2]. Bir sıvı damlası katı bir yüzey üzerine temas ettiğinde, temas açısının 900’den küçük olduğu bir yüzey ıslatılabilen bir yüzeyken temas açısının 900’den büyük olduğu yüzey ise ıslatılamayan yüzeydir. Islatılabilen yüzey, hidrofilik ıslatılamayan yüzey ise hidrofobik yüzey olarak adlandırılmaktadır [3].
Süperhidrofobisite 1940’lardan beri bilinmesine rağmen, 1997’de Barthlott ve Neinhus tarafından nilüfer yaprağı da dahil olmak üzere çeşitli doğal bitki yapraklarının yüzey yapısının araştırılmasının ardından son yıllarda daha büyük bir önem taşımaya başlamıştır [4].
Süperhidrofobik yüzeylerin yapışmama, kirlenmeme ve kendi kendini temizleme gibi özellikleri bulunmaktadır ve bu özelliklerinden dolayı birçok biyolojik ve endüstriyel uygulamalarda kullanılması beklenmektedir [5].
Katı yüzey üzerindeki sıvı damlasının temas açısı 150°’den büyük olan yüzeyler süperhidrofobik yüzeyler olarak adlandırılmaktadır [4]. Bir yüzeyin süperhidrofobik özellik gösterebilmesi için yüzey enerjisinin düşük olması ve yüzeyin pürüzlü olması gibi iki temel faktöre gereksinim duyulmaktadır [3].
Bu iki temel faktör süperhidrofobik yüzey sentezlenmesi için iki yönteme öncülük etmektedir. Birinci yöntemde hidrofobik bir maddeden pürüzlü yüzey sentezlenebilmektedir. İkinci olarak ise pürüzlü hidrofilik bir yüzeyin kimyasal olarak modifiye edilmesi veya üzerine hidrofobik bir malzeme uygulanmasıdır [5].
Süperhidrofobik özellik kazandıracak boyutta yüzey pürüzlülüğü oluşturabilmek için yapay yollarla plazma aşındırma, lazer aşındırma, kimyasal aşındırma, elektro kimyasal reaksiyon ve çöktürme, elektrospining, kimyasal buhar çöktürme, litografi, sol-gel işlemi, çözelti dökme, tabaka tabaka ve koloidal birleşme gibi birçok farklı metod kullanılabilmektedir [3].
Lotus (nilüfer) ve pirinç yaprakları, kelebek ve ağustos böceği kanadı, sivrisinek gözü, geko kertenkelesi ayağı ve gül taç yaprakları gibi bazı canlıların yüzeylerinde bulunan suyu emmemesi ve kendi kendini temizlemesi özelliği yıllardır araştırma konusu olmuştur.
Kendi kendini temizleyebilen ve hidrofobik yüzeye en güzel örnek, bataklıkta yetişen nilüfer çiçeği diğer bir adıyla lotus bitkisidir [6]. Lotus bitkisinin yapraklarında rastgele dağılmış halde mikro ve nano pürüzlülükler yer almaktadır.
Dışarıdan bakıldığında anlaşılmamasına rağmen nano çıkıntılar yapıya süperhidrofobluğu sağlamakta ve yüksek temas açısı kazandırmaktadır [7]. Su damlaları nano çıkıntıların en yüksek noktaları üzerinde bulunmaktadır çünkü damlanın altındaki çukur yapılar hava paketçikleri ile doldurulmuştur.
Nilüfer çiçeği yapraklarının süperhidrofobik özellik göstermesinin sebebi hava paketçiklerinin varlığından kaynaklanmaktadır [5].
Yüzeyin hidrofobik karakteri sayesinde, su damlaları yüzeyle tam bir temas kuramayıp kendi ağırlıklarıyla aşağıya doğru yuvarlanarak ilerlerken yüzey üzerindeki tüm kirlilikleri uzaklaştırmaktadır ve bu olay kendi kendini temizleme özelliği olarak adlandırılmaktadır.
“Lotus etkisi” olarak da bilinen, yüzeylerin kendi kendini temizleme özelliği günümüzde tekstil ve boya sanayi başta olmak üzere pek çok endüstri alanında yeni uygulamalar ve gelişmeler sağlamaktadır [7].
Bu çalışmada, bir optimizasyon metodu olan Taguchi Metodu kullanılarak, su bazlı boyaya ilave edilen katkılarla, boyanın hidrofobisite özellikleri geliştirilmeye çalışılmış, yapılan testlerde olumlu sonuçlar elde edilmiştir.
Deneysel Çalışma
%0-6 (w/w) aralığında ağırlıkça belirli oranlarda bor kimyasalı (B), kırmızı gülün taç yaprağı (GY) ve talk (T) hazırlanarak, beyaz renkli, su bazlı, iç cephe boyasına ilave edilmiş ve mekanik karıştırıcı yardımıyla homojen olarak karıştırılmıştır.
Karıştırma işleminin tamamlanmasının ardından Taguchi optimizasyon yöntemine göre hazırlanan ve sette 9 farklı içerik oranına sahip boyalar elde edilmiştir. Bu boyaların her birinin viskozite değerleri ölçülmüştür.
Viskozite sonuçları, Taguchi optimizasyon metodunda kullanılarak optimum deney parametreleri belirlenmiştir (Çizelge 1).
Çizelge 1. Taguchi L-9 ortogonal dizi
Belirli oranlarda çeşitli maddeleri içeren bu boyalar 26×26 cm2’lik ölçülere sahip plakalara uygulanmıştır. Taguchi optimizasyon metoduna göre hazırlanan boya karışımları, aplikatör yardımıyla 150 μm çekme kalınlığı ile plakalara uygulanmıştır (Şekil 1).
24 saat kuruma süresinin ardından temas açısı ölçüm cihazı kullanılarak boyaların hidrofobiklik değerleri saptanmıştır.
Şekil 1. Boya karışımlarının uygulandığı plaka örnekleri
Sonuçlar ve Tartışma
Taguchi optimizasyon metoduna göre hazırlanan boyalara ait viskozite değerleri Çizelge 2’de verilmiştir
Çizelge 2. Hazırlanan boyaların viskozite değerleri
Hazırlanan boya setinde bor kimyasalı ve kırmızı gülün taç yaprağı parametreleri için üçüncü seviye, talk kimyasalı için ikinci seviyenin kullanıldığı 9 numaralı deney en optimum sonucu vermiştir (Şekil 2).
Şekil 2. S/N oranı için ana etki eğrileri
Hidrofobiklik testinde, öncelikle plakalarda kuruyan boyaların üzerine pipet yardımıyla bir damla su damlatılmıştır. Plakalar yavaş bir şekilde dik konuma getirilerek su damlasının boya üzerindeki akışı incelenmiştir.
Boya numunelerinin yüzeyinde yumuşama, bozulma, kalkma ve renk değişimi gibi olumsuz sonuçların oluşmadığı gözlemlenmiştir (Şekil 3).
Şekil 3. Referans boya ve optimum boyaya ait hidrofobiklik testi
Temas açısı ölçüm cihazı; gözenekli materyallere sıvıların emilimini, sıvıların yüzey ve ara yüzey gerilimlerini, yüzey serbest enerjilerini, statik veya dinamik temas açılarını ölçmek için görüntülerin videoya çekilmesi ve otomatik görüntü analizine dayanan bilgisayar kontrollü bir cihazdır.
Sıvıların yüzey/arayüzey gerilimini, emilimini, statik veya dinamik temas açılarını belirlemek için damla şekli analizi kullanılmaktadır. Yapısındaki kamera özelliği 10 ms’den 1000 s’ye kadar süre aralıklarında görüntüler yakalamayı sağlamaktadır.
Görüntülerin uygun yöntemlerle yerleştirilmesinin ardından 5° ile 180° arasındaki temas açısı ve 0,01 ile 999 mN/m arasındaki yüzey gerilimi elde edilebilmektedir [8].
Temas açısı ölçüm cihazı kullanılarak referans boya ve her iki setin optimum boya numunelerinin temas açıları ölçülerek ne derecede hidrofobik özellik gösterdikleri incelenmiştir. Ölçüm sonuçları Şekil 4 ve Şekil 5’te gösterilmektedir.
Şekil 4. Referans boyanın temas açı görüntüsü
Hazırlanan optimum boya numunesinin temas açısı ölçüm sonucu 81.25°’dir. Hidrofobik özelliğe sahip kırmızı gülün taç yapraklarının katkı maddesi ola- rak ilave edilmesiyle boyanın temas açısı değerini arttırdığı ve bu değeri 90°’ye yaklaştırarak boyanın hidrofobik özelliğini geliştirdiği görülmüştür.
Şekil 5. Optimum boyanın temas açı görüntüsü
Sonuç
Sonuç olarak, boyaya temas eden suyun, boyanın yapısında oluşturacağı olumsuz etkileri minimum se- viyeye düşürerek hidrofobik özellik kazandırabilecek parametreler değerlendirilmiştir. Temas açısı ölçüm cihazı ile referans boya ve hazırlanan optimum boya numunelerinin temas açıları belirlenmiştir.
Referans boyanın temas açısı değeri 61.64° iken katkılarla hazırlanan optimum boya numunesinin temas açısı değeri 81.25° olarak ölçülmüştür. Referans boya hidrofilik özellik gösterirken kırmızı gülün taç yapraklarının eklenmesi ile temas açısının 90°’ye yaklaştığı gözlemlenmiştir.
Taç yapraklarının, optimum boya numunelerinin hidrofobik özelliğine olumlu yönde katkı sağladığı sonucuna varılmıştır.
Yard. Doç. Nil Acaralı – Kimya Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi
Yüksek Kimya Mühendisi Merve Bağcı – Kimya Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi
Kaynaklar
[1] Zhi, J.H., Zhang, L.Z., Yan, Y. ve Zhu, J., (2016). “Mechanical Durability of Superhydrophobic Surfaces: The Role of Surface
Modification Technologies”, Applied Surface Science, Elsevier, 392:286-296.
[2] Çağlar, A., (2016). Elektrokromik Yüzey Malzemelerinde Hidrofobik Özellikler, Yüksek Lisans Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Çanakkale.
[3] Ordu, F., (2012). Metalik Yüzeylerde Kimyasal İşleme Yöntemi ile Hidrofobik Yüzey Oluşturulması, Yüksek Lisans Tezi, Trakya
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Edirne.
[4] Söz, Ç., (2015). New Processes and Critical Parameters for the Preparation of Superhydrophobic Polymer Surfaces, Doktora
Tezi, Koç Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[5] Özen Cansoy, C.E., (2011). Mikro Desenli Süperhidrofobik Yüzeylerde Yüzey Pürüzlülüğü ile Su Temas Açısı İlişkisi, Doktora
Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Gebze.
[6] Canpolat, Ş., Kılınç, M., Gürbüz, N.R. ve Kut, D., (2014). “Tekstil Uy- gulamalarında Biyomimetik Yaklaşımlar”, İstanbul Ticaret
Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 25:91-111.
[7] Barsbay, B. ve Güven, O., (2010). “Selüloz Esaslı Kendi Kendini Temizleyen Süper Hidrofobik Yüzeyler”, 3. Ulusal Polimer Bilim
ve Teknolojisi Kongresi ve Sergisi, 12-14 Mayıs 2010, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli.
[8] http://cit.kuleuven.be/smart/infrastructure/documents/cam200.pdf, 20 Ocak 2017.
